1. Вступ
Збір радіочастотної (РЧ) енергії (ЗРЧЕ) та радіаційна бездротова передача енергії (ББЕ) викликали великий інтерес як методи створення стійких бездротових мереж без використання батарей. Ректени є основою систем ЗРЧ та ББЕ і мають значний вплив на потужність постійного струму, що подається на навантаження. Елементи антени ректенни безпосередньо впливають на ефективність збору, що може змінювати зібрану потужність на кілька порядків. У цій статті розглядаються конструкції антен, що використовуються в застосуваннях ЗРЧ та навколишнього ББЕ. Зазначені ректенни класифікуються за двома основними критеріями: смуга пропускання випрямного імпедансу антени та характеристики випромінювання антени. Для кожного критерію визначається та порівняльно розглядається коефіцієнт якості (FoM) для різних застосувань.
Безпровідна передача енергії (БПГ) була запропонована Теслою на початку 20 століття як метод передачі тисяч кінських сил. Термін "ректенна", який описує антену, підключену до випрямляча для збору радіочастотної енергії, з'явився в 1950-х роках для застосування в передачі космічної мікрохвильової енергії та для живлення автономних дронів. Всеспрямована БПГ великої дальності обмежена фізичними властивостями середовища поширення (повітря). Тому комерційна БПГ в основному обмежується ближньою невипромінювальною передачею енергії для бездротової зарядки побутової електроніки або RFID.
Оскільки споживання енергії напівпровідниковими пристроями та бездротовими сенсорними вузлами продовжує зменшуватися, стає більш доцільним живити сенсорні вузли за допомогою навколишнього радіочастотного випромінювання (RFEH) або розподілених малопотужних всенаправлених передавачів. Бездротові системи живлення наднизького енергоспоживання зазвичай складаються з радіочастотного інтерфейсу збору даних, блоку живлення постійного струму та керування пам'яттю, а також малопотужного мікропроцесора та приймача.
На рисунку 1 показано архітектуру бездротового вузла RFEH та поширені реалізації радіочастотного інтерфейсу. Комплексна ефективність бездротової системи живлення та архітектура синхронізованої бездротової мережі передачі інформації та енергії залежить від продуктивності окремих компонентів, таких як антени, випрямлячі та схеми керування живленням. Було проведено кілька оглядів літератури для різних частин системи. У таблиці 1 підсумовано етап перетворення енергії, ключові компоненти для ефективного перетворення енергії та відповідні огляди літератури для кожної частини. Нещодавня література зосереджена на технології перетворення енергії, топологіях випрямлячів або мережево-залежних RFEH.
Рисунок 1
Однак, конструкція антени не розглядається як критичний компонент у RFEH. Хоча в деяких літературних джерелах пропускна здатність та ефективність антени розглядаються із загальної точки зору або з точки зору конкретної конструкції антени, такої як мініатюрні або носимі антени, вплив певних параметрів антени на ефективність прийому та перетворення потужності детально не аналізується.
У цій статті розглядаються методи проектування антен для прямих антен з метою відрізнити специфічні проблеми проектування антен для RFEH та WPT від стандартного проектування антен зв'язку. Антени порівнюються з двох точок зору: наскрізне узгодження імпедансу та характеристики випромінювання; у кожному випадку FoM ідентифікується та розглядається в сучасних (SoA) антенах.
2. Смуга пропускання та узгодження: радіочастотні мережі з напругою не 50 Ом
Характеристичний імпеданс 50 Ом є одним з перших розглядів компромісу між затуханням та потужністю в застосуванні мікрохвильової техніки. В антенах смуга пропускання імпедансу визначається як діапазон частот, де відбита потужність менше 10% (S11 < −10 дБ). Оскільки малошумливі підсилювачі (LNA), підсилювачі потужності та детектори зазвичай проектуються з узгодженням вхідного імпедансу 50 Ом, традиційно використовується джерело з опором 50 Ом.
У ректенні вихід антени безпосередньо подається на випрямляч, а нелінійність діода викликає значні коливання вхідного імпедансу, причому домінує ємнісний компонент. Припускаючи антену 50 Ом, основним завданням є розробка додаткової мережі узгодження радіочастотних сигналів для перетворення вхідного імпедансу в імпеданс випрямляча на частоті, що цікавить, та оптимізації її для певного рівня потужності. У цьому випадку для забезпечення ефективного перетворення радіочастотного сигналу в постійний необхідна наскрізна смуга пропускання імпедансу. Тому, хоча антени можуть досягти теоретично нескінченної або надширокої смуги пропускання, використовуючи періодичні елементи або самодоповнюючу геометрію, смуга пропускання ректенни буде обмежена мережею узгодження випрямляча.
Було запропоновано кілька топологій ректенн для досягнення одно- та багатодіапазонного збору потужності або БПВ шляхом мінімізації відбиттів та максимізації передачі потужності між антеною та випрямлячем. На рисунку 2 показано структури описаних топологій ректенн, класифікованих за їх архітектурою узгодження імпедансу. У таблиці 2 наведено приклади високопродуктивних ректенн щодо наскрізної пропускної здатності (в даному випадку, FoM) для кожної категорії.
Рисунок 2. Топології ректенни з точки зору пропускної здатності та узгодження імпедансу. (a) Однодіапазонна ректенна зі стандартною антеною. (b) Багатодіапазонна ректенна (складається з кількох взаємно пов'язаних антен) з одним випрямлячем та узгоджувальною мережею на діапазон. (c) Широкосмугова ректенна з кількома радіочастотними портами та окремими узгоджувальними мережами для кожного діапазону. (d) Широкосмугова ректенна з широкосмуговою антеною та широкосмуговою узгоджувальною мережею. (e) Однодіапазонна ректенна з використанням електрично малої антени, безпосередньо узгодженої з випрямлячем. (f) Однодіапазонна електрично велика антена зі складним імпедансом для спряження з випрямлячем. (g) Широкосмугова ректенна зі складним імпедансом для спряження з випрямлячем у діапазоні частот.
Хоча бездротовий транспортний засіб (WPT) та навколишній радіочастотний енергогенератор (RFEH) від спеціалізованого живлення є різними застосуваннями ректенн, досягнення наскрізного узгодження між антеною, випрямлячем та навантаженням є фундаментальним для досягнення високої ефективності перетворення потужності (PCE) з точки зору пропускної здатності. Тим не менш, ректенни WPT більше зосереджені на досягненні вищого узгодження коефіцієнта якості (нижчий S11) для покращення односмугового PCE на певних рівнях потужності (топології a, e та f). Широка смуга пропускання односмугового WPT покращує стійкість системи до розстроювання, виробничих дефектів та паразитних впливів на корпусування. З іншого боку, ректенни RFEH пріоритетують багатосмугову роботу та належать до топологій bd та g, оскільки спектральна щільність потужності (PSD) однієї смуги, як правило, нижча.
3. Конструкція прямокутної антени
1. Одночастотна ректенна
Конструкція антени одночастотної прямий антени (топологія А) в основному базується на стандартній конструкції антени, такій як випромінювальна пляма лінійної поляризації (LP) або кругової поляризації (CP) на площині землі, дипольна антена та інвертована F-антена. Прямий антена диференціального діапазону базується на комбінованій решітці постійного струму, сконфігурованій з кількома антенними блоками, або змішаній комбінації постійного та радіочастотного струму з кількох патч-блоків.
Оскільки багато запропонованих антен є одночастотними та відповідають вимогам одночастотної бездротової передачі даних (WPT), при пошуку багаточастотної радіочастотної енергоефективності (RFEH) в навколишньому середовищі, кілька одночастотних антен об'єднуються в багатодіапазонні ректени (топологія B) із взаємним придушенням зв'язку та незалежним об'єднанням постійного струму після схеми керування живленням, щоб повністю ізолювати їх від схеми збору та перетворення радіочастотних сигналів. Це вимагає кількох схем керування живленням для кожної смуги, що може знизити ефективність підвищувального перетворювача, оскільки потужність постійного струму однієї смуги є низькою.
2. Багатодіапазонні та широкосмугові антени RFEH
Екологічні РФЕГ часто асоціюються з багатодіапазонним збором сигналу; тому було запропоновано різноманітні методи для покращення пропускної здатності стандартних конструкцій антен та методи формування дводіапазонних або діапазонних антенних решіток. У цьому розділі ми розглядаємо конструкції антен для РФЕГ на замовлення, а також класичні багатодіапазонні антени з потенціалом для використання як прямих антен.
Монопольні антени з копланарним хвилеводом (CPW) займають менше площі, ніж мікросмужкові патч-антени на тій самій частоті, та генерують хвилі LP або CP, і часто використовуються для широкосмугових екологічних прямих антен. Площини відбиття використовуються для збільшення ізоляції та покращення посилення, що призводить до діаграм спрямованості, подібних до патч-антен. Щілинні копланарні хвилеводні антени використовуються для покращення імпедансної смуги пропускання для кількох частотних діапазонів, таких як 1,8–2,7 ГГц або 1–3 ГГц. Щілинні антени зі зв'язаним живленням та патч-антени також широко використовуються в багатодіапазонних конструкціях прямих антен. На рисунку 3 показано деякі зареєстровані багатодіапазонні антени, які використовують більше одного методу покращення смуги пропускання.
Рисунок 3
Узгодження імпедансу антени та випрямляча
Узгодження антени 50 Ом з нелінійним випрямлячем є складним завданням, оскільки його вхідний імпеданс значно змінюється з частотою. У топологіях A та B (Рисунок 2) поширеною узгоджувальною мережею є LC-узгодження з використанням зосереджених елементів; однак відносна смуга пропускання зазвичай нижча, ніж у більшості діапазонів зв'язку. Односмугове шлейфове узгодження зазвичай використовується в мікрохвильових та міліметрових діапазонах нижче 6 ГГц, а описані міліметрові випрямлячі мають вузьку смугу пропускання, оскільки їхня смуга пропускання PCE обмежена придушенням вихідних гармонік, що робить їх особливо придатними для односмугових застосувань безпровідного транспортного засобу (WPT) у неліцензованому діапазоні 24 ГГц.
Ректенні випрямлячі в топологіях C і D мають складніші мережі узгодження. Для широкосмугового узгодження були запропоновані повністю розподілені мережі узгодження ліній з блокуванням ВЧ/коротким замиканням постійного струму (пропускним фільтром) на вихідному порту або блокувальним конденсатором постійного струму як зворотним шляхом для діодних гармонік. Компоненти випрямляча можна замінити конденсаторами з переплетеними елементами на друкованій платі (PCB), які синтезуються за допомогою комерційних засобів автоматизації проектування електроніки. Інші описані мережі узгодження широкосмугових ректенні поєднують зосереджені елементи для узгодження з нижчими частотами та розподілені елементи для створення короткого замикання ВЧ на вході.
Зміна вхідного імпедансу, що спостерігається навантаженням через джерело (відома як техніка «витяг-витяг»), була використана для розробки широкосмугового випрямляча з відносною пропускною здатністю 57% (1,25–2,25 ГГц) та на 10% вищою PCE порівняно з зосередженими або розподіленими схемами. Хоча узгоджувальні мережі зазвичай проектуються для узгодження антен по всій смузі пропускання 50 Ом, у літературі є повідомлення про підключення широкосмугових антен до вузькосмугових випрямлячів.
Гібридні мережі узгодження з зосередженими та розподіленими елементами широко використовуються в топологіях C та D, причому послідовні індуктори та конденсатори є найчастіше використовуваними зосередженими елементами. Це дозволяє уникнути складних структур, таких як штифтові конденсатори, які потребують точнішого моделювання та виготовлення, ніж стандартні мікросмужкові лінії.
Вхідна потужність випрямляча впливає на вхідний опір через нелінійність діода. Тому антена-випрямляч розроблена для максимізації PCE для певного рівня вхідної потужності та імпедансу навантаження. Оскільки діоди є переважно ємнісними з високим імпедансом на частотах нижче 3 ГГц, широкосмугові антени-випрямлячі, які виключають узгоджувальні мережі або мінімізують спрощені схеми узгодження, були зосереджені на частотах Prf > 0 дБмВт та вище 1 ГГц, оскільки діоди мають низький ємнісний опір і можуть бути добре узгоджені з антеною, що дозволяє уникнути проектування антен з вхідним реактивним опором > 1000 Ом.
Адаптивне або реконфігуроване узгодження імпедансу спостерігалося в КМОП-прямокутниках, де узгоджувальна мережа складається з вбудованих конденсаторних батарей та індуктивностей. Статичні КМОП-мережі узгодження також були запропоновані для стандартних антен 50 Ом, а також для спільно розроблених рамкових антен. Повідомлялося, що пасивні КМОП-детектори потужності використовуються для керування перемикачами, які спрямовують вихід антени на різні випрямлячі та узгоджувальні мережі залежно від доступної потужності. Було запропоновано реконфігуровану узгоджувальну мережу з використанням зосереджених настроюваних конденсаторів, яка налаштовується шляхом точного налаштування під час вимірювання вхідного імпедансу за допомогою векторного аналізатора мережі. У реконфігурованих мікросмужкових узгоджувальних мережах для налаштування узгоджувальних шлейфів для досягнення дводіапазонних характеристик використовуються перемикачі на польових транзисторах.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 09 серпня 2024 р.
